Die zunehmende Energieherausforderung in der industriellen Kältetechnik

Die industrielle Kältetechnik gehört zu den energieintensivsten Betriebsbereichen in Lebensmittelproduktionsanlagen. In typischen Produktionsstätten für Tiefkühlkost verbrauchen Kältesysteme bis zu 70 % der gesamten elektrischen Leistung.

Historisch betrieben Anlageningenieure Verdichterverbünde und Kältemaschinen ausschließlich auf Grundlage des Kühlbedarfs statt mit dem Ziel maximaler Energieeffizienz. Menschliche Bediener stoßen bei der Echtzeitsteuerung dynamischer Lastschwankungen, Änderungen der Umgebungstemperatur und komplexer Frequenzumrichter (VFDs) auf erhebliche Grenzen.

Autonome KI-Optimierung auf Basis einer modernen DCS-Architektur

Um diese Ineffizienzen zu beheben, arbeitete Rockwell Automation mit dem Systemintegrationspartner Actemium an der Entwicklung einer autonomen Optimierungslösung. Die als Real-Time Coefficient of Performance (RtCOP) bekannte fortschrittliche Anwendung läuft direkt auf Rockwells PlantPAx® Distributed Control System (DCS).

RtCOP fungiert im gesamten Anlagennetzwerk als kontinuierlich arbeitender virtueller Bediener. Das System bewertet gleichzeitig Betriebskapazitäten, Anlagenzustand, thermische Effizienz und Umgebungsbedingungen. Darüber hinaus wählt und steuert es dynamisch die energieeffizientesten Betriebssollwerte für Verdichter, Verdampfer und Kondensatorlüfter.

Wichtiges technisches Merkmal: Das PlantPAx DCS ermöglicht eine deterministische Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen Steuerungen sowie eine nahtlose industrielle IoT-Konnektivität. Dadurch wird eine geringe Latenz zwischen der Inferenz des KI-Modells und der Ausführung des Echtzeitregelkreises gewährleistet.

Messbare Energieeinsparungen und betriebliche Vorteile

Erste Praxiseinsätze in einer großen Produktionsanlage für Tiefkühl-Pommes-frites erzielten sofortige, messbare Ergebnisse:

Darüber hinaus ermöglichen anlagenübergreifende KPI-Dashboards den Ingenieuren, Kennzahlen zur Leistungszahl (COP) mehrerer geografisch verteilter Standorte in Echtzeit zu vergleichen.

Experteneinschätzung: Der Wandel hin zur autonomen Fabrikautomation

Aus Sicht eines leitenden Experten für industrielle Automatisierung verdeutlicht dieses Projekt einen entscheidenden Trend: die Verbindung klassischer Prozessregelung mit moderner künstlicher Intelligenz am Netzwerkrand.

Herkömmliche speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und DCS-Plattformen zeichnen sich durch deterministische Sicherheitsverriegelungen und die Regelung von Proportional-Integral-Differential-Regelkreisen (PID) aus. Eine lineare PID-Regelung hat jedoch Schwierigkeiten, nichtlineare thermische Systeme mit mehreren Variablen effizient zu optimieren.

Durch den parallelen Betrieb KI-gestützter Echtzeitoptimierungsmodelle neben deterministischen Regelungsebenen erreichen Ingenieure eine Energieoptimierung im geschlossenen Regelkreis, ohne die Prozessstabilität oder funktionale Sicherheitsstandards (wie IEC 61508 / IEC 61511) zu beeinträchtigen.

Anwendungsszenario: Nachrüstung einer mehrstufigen industriellen Ammoniak-Kältemaschine

Um die Funktionsweise dieses Systems in einer praktischen Anlagenumgebung zu veranschaulichen, betrachten wir einen typischen großtechnischen Tiefkühlbetrieb für Lebensmittel:

1. Bestandsaufnahme: Eine mehrstufige industrielle Ammoniak-Kälteanlage nutzt fünf Schraubenverdichter mit jeweils 500 HP und vier Verdunstungskondensatoren.
2. DCS-Integration: Ingenieure installieren die RtCOP-Softwareschicht auf dem vorhandenen PlantPAx DCS und verbinden die Prozessinstrumentierung über EtherNet/IP-Netzwerke.
3. Datenaufnahme: Das KI-Modell verarbeitet Echtzeitdaten zu Saugdruck, Druck auf der Druckseite, Feuchtkugeltemperatur, Stromverbrauchszählern und Luftfeuchtigkeit.
4. Autonome Sollwertregelung: Statt drei Verdichter mit konstant 80 % Last zu betreiben, passt RtCOP die Drehzahlen der VFDs autonom an, um vier Verdichter mit einem optimierten Betriebspunkt von 58 % zu betreiben. Dadurch wird die Gesamtleistungsaufnahme (kW/Tonne) drastisch reduziert, während die strengen Prozesstemperaturen für das Einfrieren eingehalten werden.

Über den Autor

Zhang Wei ist Principal Industrial Automation & Control Systems Architect mit über 15 Jahren praktischer Erfahrung im Feldeinsatz. Er ist spezialisiert auf groß angelegte Distributed Control Systems (DCS), speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Instrumentierung und Regelung von Turbomaschinen (TSI) sowie den Schutz industrieller Stromnetze in Prozessindustrien weltweit.